专利名称：螺旋升流塔式光催化反应器的制作方法
技术领域：
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种废水处理的光催化反应器。
背景技术：
当前在污废水处理方面，成分较简单、可生物降解的废水能方便地通过现有的污水 处理技术获得好的处理效果。但是，浓度高、成分复杂、生物降解性差甚至有生物毒性 的工业废水，如化工、石油、制药、农药、造纸、印染废水以及垃圾渗滤液等，至今仍 缺乏经济而有效的处理技术。目前，普遍认为高级氧化技术是有毒有害污染物最有效的 处理办法，它能将卤代烃、芳烃、卤代芳烃、染料、油类、农药等彻底无机化。其中纳 米Ti02多相光催化技术发展最为迅速。纳米Ti02光催化技术具有良好的室温深度反应能 力、无二次污染、可直接利用太阳能、无需添加其它化学药剂等特点，成为了高级氧化 技术中最为活跃的-一个研究方向，被誉为21世纪最有前途的环境友好催化技术。目前国 内外对纳米Ti02材料的改性技术研究较多，但对适合纳米光催化剂参与的光催化反应器 研究较少。
目前的光催化反应器普遍存在以下几个方面的问题(1)催化剂的存在状态与传质 效率之间的矛盾解决不好。对于悬浮态光催化反应器，光催化剂难于回收，如果增加沉 淀回收等装置解决回收问题，则处理成本将大幅增加；对于负载型光催化反应器，虽然 解决了催化剂的回收问题，但却牺牲了催化剂与污染物之间的传质效率。(2)反应器的 几何尺寸难于确定。由于多相光催化反应本身所具有的特点，反应器的光照面积与溶液体 积的比率(A/ V)是影响处理效果的重要参数。实验表明，A/ V值越大，反应速率越快。 但A/ V值增大一般意味着占地面积的增加，因而在实际应用中是很难通过提高A/ V值 来实现处理要求的。(3)光系统效率亟待提高。对于采用电光源的反应器来说，消耗电 能在经济上是一个负担，此外，由于可被反应利用的紫外及近紫外光在反应溶液中衰减 的非常的快，因而必须尽可能的提高光液的直接接触面积，这就使反应器的放大设计变 得很困难。对于采用太阳光及其他一些光学设备的反应器，聚光系统是否能提高光效率 还存在争论，即使不考虑这点，其昂贵的制造、维修、使用费用也限制了它的推广应用。 近年来，随着理论和实验研究的不断深入，直接用太阳光作为光源得到了人们的重视，它 被认为是最有应用前景的研究方向，但如何提高利用太阳光的光效率仍是一个尚待解决的问题。
发明内容
本发明针对现有光催化反应器领域存在的问题，研制出一种高传质速率、光催化剂 回收方便、高A/V比值、占地省、可同时利用自然光和电光源的螺旋升流塔式光催化反 应器。
本反应器整体呈圆柱体型，下部为漏斗形进水口，上半部为圆盘型溢流出水口，中 部为圆筒型筒身。反应器内部设置带升流桨叶的搅拌器进行一定速度搅拌，使废水在反 应器内行进时呈螺旋流态。
本发明通过计算催化剂在停留时间内的沉降距离，来取出水口半径r2 (沉降距离超过 n的催化剂可以被截留到反应器中得以回收)，沉降距离与催化剂粒径、密度等因素相 关。另一方面，停留时间由反应器尺寸筒身的半径R、漏斗形进水口的高度h、筒身的高 度h2和进水流量决定，在确定流量和停留时间的基础上可以得出R、 h,和h2三者的关系。 因此，本反应器的尺寸参数如下
进水口的半径0. 01m《n《0. 05m;
出水口的半径0. 05m《r2《0, 22m;
反应器筒身的半径0.05m《R《0.25m ;
反应器漏斗形进水口的高度hi和反应器筒身的高度h2满足关系/2, +3^
0——废水流量，m7s， t,——废水停留时间，1800s《t,《7200s。
上述参数的确定是通过以下公式推导获得的-(1)出水口的半径r2 (也是催化剂在Tt时间内的沉降距离)
r2 二 ^ g (d
式中Tt——污水停留时间，s。 1800s《Tt《7200s;
"——催化剂在反应器中旋转角速度，r/min。 150 r/min《"《300r/min; n——漏斗型进水口半径，也是催化剂开始沉降时所处的位置， 0. 01m《r丄《0. 05m;h——重力沉降速度；
g——重力加速度，9.8m/s2。
由于反应器内流速不高，流动处于层流区:
<formula>formula see original document page 5</formula>(II)
式中dp——拟回收的催化剂粒径，m。 20 Xl(Tm《dp《100X10、。 pp——催化剂真密度，kg/m3。 4000 kg/m3《pp《10000 kg/m3; P——废水密度，kg/m3。取画kg/m3;
"——污水动力粘度系数，反应温度为2(TC时，取1.0Xl(T3Pa'S( 将(II)带入(I)可以计算得到0.05m《r2《0. 22m。 (2)反应器尺寸
由于停留时间、取决于反应器体积与进水流量的比值，故停留时间
<formula>formula see original document page 5</formula>即:
<formula>formula see original document page 5</formula>
(III)
式中2——废水流量，m7s。
R——反应器筒身半径，m。 h'——反应器漏斗形进水口的高度，m。 h2——反应器筒身的高度，m。 反应器的光照面积
将(III)带入(IV)可得
<formula>formula see original document page 5</formula>(IV)
<formula>formula see original document page 5</formula>
(V)
由(V)知当R取极小值时光照面积S达到最大。考虑到实际设计时R^r"因此 0. 05m《R《0. 25m。本反应器的工作过程是当废水从底部进入后即与催化剂完全混合，使光催化剂随 水流螺旋上升。在上升过程中由于受离心力的作用，光催化剂逐渐向反应器外壁靠近。 由于光催化剂离心沉降时间不大于废水在反应器中的停留时间，因此当废水从反应器上 部出水口溢流出时催化剂已经沉降至反应器壁上。在重力和水流作用下，沉降至反应器 顶部的光催化剂将重新回到反应器主体中重新参与反应。在光源照射下光催化剂在整个 混合、沉降和返混的过程中都会参与光催化反应过程，使污染物被降解去除。
本发明的优点如下
(1) 采用悬浮态反应方式来保证污染物与光催化剂之间的传质速率。在本发明中， 光催化剂在反应器内部呈悬浮状态，与污染物进行充分混合，污染物与光催化剂之间不 存在传质阻力，因此可以提高污染物降解速率。
(2) 采用离心沉降的原理实现光催化剂与废水的分离。在本发明中，光催化剂在反 应器内部高速旋转，在离心力作用下向反应器壁运动，并最终在反应器顶端被挡板截留， 而处理后的废水则从反应器顶部中间流出。这使得反应器能在光催化反应进行的同时实 现光催化剂与废水的分离。同时废水呈螺旋流态也可提升反应器的容积利用率。
(3) 采用塔式结构增加A/V比值，减小反应器占地面积。本发明中，光催化反应器 为竖向布置，呈塔式结构。反应器材料采用透光有机玻璃材料制成，可以使得反应器的 四周均可接受光照成为反应界面。进一步当在反应器内部设置电光源时，反应器内部也 可成为反应界面，因此相对于传统光催化反应器而言，本反应器的A/V值得到了极大提 咼。
(4) 可同时或分别利用自然光和电光源进行光催化反应。当自然光照射条件较佳能 够满足反应需求时，可直接利用自然光照射反应器外部进行光催化反应。当自然光不能 完全满足要求时，可在反应器内部添加电光源进行光照强化，使处理出水水质得到保证。
图1为螺旋升流塔式光催化反应器的结构示意图。
具体实施例方式
参见图1，本螺旋升流塔式光催化反应器整体呈圆筒型，采用透明材质制作，反应器 下部为漏斗形进水口 1，上半部为圆盘型溢流出水口 3，中部为圆筒型筒身2，反应器内 部设置有采用带升流桨叶的搅拌器4和电光源5。
在实验室进行流量为240L的小规模实验，取1、 反应器进水口半径r产0.01m;反应器出水口半径r^0. lm;反应器筒身的半径R 二O. 10m，反应器漏斗形出水口的高度hi二0.075m，反应器筒身的高度h2= 1. lm;
2、 反应器进水口半径rF0.01m;反应器出水口半径r2=0. lm;反应器筒身的半径R =0. 15m，反应器漏斗形出水口的高度^ = 0. 10m，反应器筒身的高度h2 = 0. 60m;
3、 反应器进水口半径r尸0.01m;反应器出水口半径r2=0. lm;反应器筒身的半径R 二0.20m，反应器漏斗形出水口的高度ht二O. 15m，反应器筒身的高度h2=0. 25m
三组数据进行反应器设计，C0D初始浓度为3420mg/l的印染废水经处理2h后，COD 降解率分别可达92%、 77%和68%。
权利要求
1、一种螺旋升流塔式光催化反应器，反应器整体呈圆筒型，采用透明材质制作；其特征在于反应器下部为漏斗形进水口，上半部为圆盘型溢流出水口，中部为圆筒型筒身，反应器内部设置有采用带升流桨叶的搅拌器；所述反应器的尺寸参数如下进水口的半径0. 01m≤r1≤0.05m；出水口的半径0. 05m≤r2≤0.22m；反应器筒身的半径0.05m≤R≤0.25m；反应器漏斗形进水口的高度h1和反应器筒身的高度h2满足关系Q——废水流量，m3/s，τt——废水停留时间，1800s≤τt≤7200s。
2、 根据权利要求1所述的螺旋升流塔式光催化反应器，其特征在于所述反应器内部还设置有电光源。
全文摘要
本发明提出一种螺旋升流塔式光催化反应器，反应器整体呈圆筒型，下部为漏斗形进水口，上半部为圆盘型溢流出水口，中部为圆筒型筒身，反应器内部设置有采用带升流桨叶的搅拌器；其中进水口的半径0.01m≤r<sub>1</sub>≤0.05m；出水口的半径0.05m≤r<sub>2</sub>≤0.22m；反应器筒身的半径0.05m≤R≤0.25m；反应器漏斗形进水口的高度h<sub>1</sub>和反应器筒身的高度h<sub>2</sub>满足关系h<sub>1</sub>+3h<sub>2</sub>＝3Qτ<sub>t</sub>/πR<sup>2</sup>，本反应器具有传质速率高、光催化剂回收方便，A/V比值高、占地省等优点。
文档编号B01J8/20GK101450299SQ20081023331
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月11日 优先权日2008年12月11日
发明者莉 何, 吉芳英, 璇 徐, 范子红 申请人:重庆大学